Quantenphysik15. Juli 2023

Die Blitzrechner kommen

Quanten werden eine absolut sichere Verschlüsselung ermöglichen. Und das ist nicht das einzige, was durch Quantenphysik besser werden wird.

Die Verdünnungskühlung eines Quantencomputers von Amazon. Das Bild ist Teil eines Beitrags über Quanten. — Für Quantenexperimente werden in der Regel besonders tiefe Temperaturen benötigt, die mit Kühlgeräten wie diesem erreicht werden. Es geht darum möglichst stabile Verhältnisse zu erzeugen. © Getty Images

Auf den Punkt gebracht

Lange Suche. Seit mehr als 100 Jahren ist man den Regeln der Quantenphysik auf der Spur und nutzt sie bereits für viele Anwendungen.
Absolut sicher. Besonders vielversprechend ist die Verschlüsselung von Daten und Transaktionen mittels Quantentechnologie.
Inspiration. Auf dem Weg zum Quantencomputer werden Erkenntnisse gewonnen, die bis dahin nicht bedachte Anwendungen inspirieren.
Problemlöser. Die Quantenphysik hat eigene Regeln, die sch besonders gut für die Lösung komplexer Probleme eignen.

Ein Faszinosum und zugleich eine Sorge, die die Entwicklung von Quantencomputern begleitet, ist ihre Fähigkeit, klassische Verschlüsselungen zu knacken. Tatsächlich hat der Mathematiker Peter Shor die Überlegenheit von Quantencomputern in dieser Hinsicht 1994 nachgewiesen.

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Damals schrieb Shor einen Algorithmus, mit dem ein noch zu bauender Quantencomputer die Primfaktoren sehr großer Zahlen errechnen kann. Das ist nun genau das Prinzip, auf dem die heutige Verschlüsselung basiert: Es erfordert enorme Rechenkapazitäten, um herauszufinden, welche Multiplikation zweier Primzahlen eine bestimmte sehr große Zahl hervorbringt.

Als ausreichend große Zahl gilt dabei alles, was länger ist als 2.048 Bits. Herkömmliche Computer brauchen sehr, sehr viele Jahre, um die korrekten Primfaktoren bei Zahlen dieser Größe zu ermitteln. Informationen, die durch diese Faktoren verschlüsselt sind, gelten daher als sicher.

Relative Sicherheit

Vorläufig sind sie es wohl auch noch. Während herkömmliche Computer mit den Bit-Werten 0 oder 1 rechnen, erlaubt es die Quantenphysik aber, dass Quantenrechner mit Quantenbits (Qubits) arbeiten, die beliebige Überlagerungen von 0 und 1 einnehmen können. Salopp gesprochen heißt das, dass Quantencomputer mit 0 und 1 gleichzeitig rechnen können. Somit können sie in einem Schritt verschiedene Werte verarbeiten.

Zahlen & Fakten

Richard Feynman und Yang Chen Ning stehen vor einer Tafel mit Formeln. Das Bild ist Teil eines Beitrags über Quanten. — Die Physiker Richard Feynman und Chen-Ning Yang bei einer Vorlesung in den 1950er Jahren. Beide Physik-Nobelpreisträger waren für die Weiterentwicklung und Anwendung der Quantentheorie entscheidend. © Getty Images

Die Regeln der Quanten

Die Quantenphysik kam Ende des 19. Jahrhunderts in die Welt, Quantencomputer und Quantennetzwerke gelten heute als Schlüsseltechnologien. Es sind bestimmte Eigenschaften und Gesetze von Quanten bzw. Quantensystemen, die erklären, warum Quantencomputer schneller sind und daher komplexe Aufgaben besser erledigen können.

Überlagerung oder Superposition: Ein Quantenteilchen kann in zwei Zuständen gleichzeitig existieren und auch in einer beliebigen Kombination von Zuständen. Dies hat damit zu tun, dass Quanten, zum Beispiel ein Photonen, sowohl Welle als auch Teilchen sind (Welle-Teilchen-Dualismus). Licht zum Beispiel ist eine elektromagnetische Welle, die aus Lichtpaketen, also diskreten Einheiten von Energie, besteht. Die Gleichzeitigkeit verschiedener Zustände macht Quantencomputer so leistungsfähig.
Verschränkung: Zwei Quantenteilchen können ein System bilden, in dem sie sich gegenseitig beeinflussen. Verändert man den Zustand des einen ändert sich auch der Zustand des anderen. Verschränkung ist die Grundlage für die Quantenkryptografie, die Verschlüsselung von Information mit Quantensystemen.
Interferenz: Die Eigenschaften der Quanten kommen am deutlichsten in der Welt der Elementarteilchen und auf subatomarer Ebene vor. Sind Objekte größer, weil sie aus vielen Atomen bestehen, sind die Quanteneffekte abgeschwächt. Klassische Verfahren der Messung eines physikalischen Zustands, zum Beispiel Geschwindigkeit, beeinflussen den Zustand eines Quantenteilchens, da das Messinstrument den Zustand verändert. Das heißt, der Zustand, den man eigentlich messen möchte, wird durch die Messung beendet. Auch dieser Effekt kann genutzt werden, um Datentransfers sicher zu machen.

Theoretisch reichen wenige hundert Qubits aus, um unglaublich viel Information zu kodieren. Allerdings werden für die Implementierung von Algorithmen zusätzliche Qubits benötigt, um robust gegen Fehler zu sein, die beispielsweise durch Umwelteinflüsse entstehen. Aus heutiger Sicht werden viele tausend, wenn nicht gar Millionen Qubits benötigt, um komplexe Algorithmen wie den Shor-Algorithmus zu implementieren.

Davon sind Unternehmen, die an Quantencomputern arbeiten, noch weit entfernt. In zehn Jahren allerdings will IBM einen Quantencomputer mit 100.000 Qubit entwickelt haben, der dann zum Beispiel in der Medikamentenentwicklung eingesetzt werden soll.

Muss man also doch damit rechnen, dass die gängigen Verschlüsselungen obsolet werden? Das ist tatsächlich möglich, es wird aber zu dem Zeitpunkt nicht mehr bedeutsam sein: Man wird dann nämlich standardmäßig Quantentechnologie zur Verschlüsselung einsetzen, und diese Verschlüsselung ist absolut sicher.

Das hat mit ebenjenen physikalischen Verhältnissen zu tun, die es nur in der Quantenwelt gibt und die sich typischerweise auf atomarer Ebene abspielen. Das Phänomen der Überlagerung (Superposition) zum Beispiel, das beschreibt, dass sich Teilchen zugleich in dem einen und dem anderen Zustand befinden können – bis zu dem Moment, in dem man ihren Zustand misst.

Quantenphysik in Ihrem Alltag

Überlagerung? Quantenphysik klingt mysteriös, ist aber Teil des Lebens und unseres Alltags. Zum Beispiel ist ein Laserstrahl nichts anderes als Photonen, die sich mit derselben Wellenlänge in dieselbe Richtung bewegen. In den Worten der Quantenphysik: Sie haben denselben Quantenzustand. Weil sie sich damit gegenseitig verstärken, überlagern oder auch auslöschen können, ist der Laserstrahl gebündelt.

Oder die derzeit so knappen Mikrochips für Handys, Computer, Spielkonsolen und Autos: Know-how aus der Quantenphysik sorgt dafür, dass immer mehr Information auf immer kleineren Chips prozessiert werden kann. Auch im Scan eines Magnetresonanztomografen (MRT) steckt Quantenphysik – er beruht auf den Quanteneigenschaften der Protonen im Atomkern von Wasserstoffmolekülen. Zugvögel können das elektromagnetische Feld der Erde „sehen“ und sich damit orientieren, weil sie in ihren Augen Moleküle haben, die Quanteneffekte nutzen können.

Quantenphysik ist also überall, nur findet sie eben auf mikroskopischer Ebene statt. Der Grund, warum wir Quantenphänomene wie Überlagerung oder Verschränkung in unserer makroskopischen Welt nicht beobachten können, ist, dass diese Eigenschaften durch den Kontakt mit der makroskopischen Welt zerstört werden, etwa durch Zusammenstöße mit anderen Atomen. Das ist immer dann der Fall, wenn wir beobachten oder messen.

Wie man Photonen steuert

In unserem Labor an der Universität Wien erforschen wir Quanten und Quantensysteme mit Photonen, also mit Lichtteilchen beziehungsweise Lichtquanten. Photonen haben keine Masse, nur Energie und Geschwindigkeit. Der Physiker Max Planck, einer der Begründer der Quantenphysik, war der Erste, der elektromagnetische Strahlung (dazu gehören neben dem Licht zum Beispiel auch Radiowellen oder Röntgenstrahlen) als Lichtquanten beschrieb. Die Lichtquanten oder Photonen sind die Energieeinheiten, aus denen die elektromagnetische Strahlung jeweils besteht.

Anders als andere Teilchen – etwa Elektronen – benötigen Photonen kein Vakuum oder tiefe Temperaturen, damit man sie erforschen und Quantenexperimente damit durchführen kann.
Eines unserer Ziele ist, Photonen so zu steuern, dass auf ihrer Basis Bauteile für neuronale Netze, eine neue Art des Codierens, oder eben auch eine bessere Verschlüsselung möglich sind: Wir können sie so präparieren, dass ihre Richtung oder ihre Energie sich überlagern.

Und nicht nur das: Wir können auch mehrere Photonen verschränken. Verschränkung bedeutet, dass eine Messung nicht nur die Eigenschaften eines Photons nach dem Zufallsprinzip definiert, sondern auch jene eines verschränkten Partnerphotons – ganz egal, wie weit dieses entfernt ist.

Absolut sichere Verschlüsselung

Dass die Messung Quantenzustände festlegt, ist ein Umstand, den wir nutzen können, um Verschlüsselung sicher zu machen: Bestimmte Zustände – etwa jener der Überlagerung – existieren in der Quantenwelt wie erwähnt so lange, bis sie gemessen werden. Ein Photon, das auf eine halbdurchlässige Platte prallt, wird mit gleicher Wahrscheinlichkeit entweder durchgelassen oder reflektiert.

Foto einer Mönchsgrasmücke, die sich an einem Zweig festhält. — Zugvögel wie die nur wenige Gramm wiegende Mönchsgrasmücke nutzen Quanteneffekte, um sich mit dem Magnetfeld der Erde zu orientieren. © Getty Images

Es befindet sich nach dem Aufprall also in einer Überlagerung von durchgelassen und reflektiert. Diese Überlagerung existiert so lange, bis ein Messgerät die Quantenwelt mit der makroskopischen Außenwelt in Kontakt bringt. Nach der Messung befindet sich das Teilchen dann zufällig auf der reflektierten Seite und verhält sich von nun an klassisch, also so, wie wir es aus der Alltagswelt kennen.

Die Tatsache, dass Beobachtungen – oder gar die Möglichkeit, dass eine Beobachtung stattgefunden hat – den Zustand eines Quantenteilchens verändern, kann man sich zu Nutze machen, um mit Quantentechnologie eine sichere Kommunikation herzustellen.

Im Wesentlichen werden dabei Lichtteilchen in verschiedenen Quantenzuständen präpariert und von einem Sender zu einem Empfänger geschickt. Da jede Beobachtung die Eigenschaften der Lichtteilchen verändert, können nun Sender (der für jedes Lichtteilchen einen unterschiedlichen Quantenzustand präpariert hat) und Empfänger (der diese Zustände nun bei sich misst) die Präparationseinstellungen und Messergebnisse vergleichen.

Wenn jemand dabei abhört, dann verändert das die Statistik der Messergebnisse beim Empfänger, und der Abhörversuch wird entdeckt. Somit kann gewährleistet werden, dass eine Kommunikation absolut sicher ist. Diese Art der Quantenverschlüsselung ist auch sicher vor einem Quantencomputer.

Quanten sichern Quanten

Quantentechnologie schützt also vor Quantentechnologie. Das Konzept ermöglicht eine sichere Datenverarbeitung bis hin zum sicheren Cloud-Computing. Vor knapp zehn Jahren konnten wir erstmals einen Prototyp eines blinden Quantencomputers demonstrieren. Bei diesem blinden Quantencomputer sind die Daten des Users mit Quantentechnologie geschützt, sodass der Computer selbst weder Eingabe noch Software und Ergebnis auslesen kann. Der Computer ist daher „blind“, obwohl er genauso effizient ist wie ein normaler Quantencomputer.

Vielleicht stellt sich heraus, dass man diesen Supercomputer, der alles kann, gar nicht braucht.

Solche sicheren Quantencomputer ermöglichen echte abhörsichere Computernetzwerke. Der Weg bis zum echten, vollwertigen Quantencomputer jedoch ist noch weit: Ein störungsfreier Quantencomputer ist zweifellos eine sehr schwierige Aufgabe. Die Aussichten auf diese disruptive Computertechnologie jedoch, die ungeahnte Möglichkeiten bietet, die noch weit über das Knacken von Codes hinausgehen, lassen derzeit viele Konzerne, Start-ups und universitäre Forschungseinrichtungen mit unterschiedlichen Ansätzen versuchen, diese mächtigen Quantencomputer zu realisieren.

Aus meiner Sicht ist es nicht so relevant, wann und ob dieses Ziel erreicht wird. Wesentlich wichtiger sind die Forschungsansätze, Experimente, Erkenntnisse und Anwendungen, die auf dem Weg dorthin entstehen. Vielleicht stellt sich dann auch heraus, dass man diesen Supercomputer, der alles kann, gar nicht braucht.

Dass der Weg das Ziel sein könnte, deutet sich an: Viele Gebiete der Quantentechnologie, die bedeutsam werden könnten, sind im Entstehen – etwa die Quantenbiologie. Es sind viele Fragen offen: Die Quantenphysik zeigt uns permanent, wie komplex die Welt ist und wie schwierig es ist, kontrollierte Bedingungen zu schaffen. Das ist aus meiner Sicht auch tröstlich: Selbst der leistungsfähigste Quantencomputer wird den Menschen nie an Komplexität übertreffen.

Conclusio

Fakten. Verstehen. Handeln.

Befürchtungen, Quantencomputer würden eines Tages die bisher üblichen mathematischen Verschlüsselungen mit Primfaktoren überflüssig machen, sind nicht angebracht: Denn erstens wird die Entwicklung von entsprechend leistungsfähigen Quantencomputern eher mehrere Jahrzehnte als Jahre brauchen. Und zweitens Quantenkryptografie bereits jetzt möglich. Dabei werden die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik, damit zum Beispiel Information im Quanteninternet nicht abgehört werden können. So kann es sein, dass Quantentechnologie in Zukunft vor allem in vielen kleineren Anwendungen zum Tragen kommt. Interessanter als der Quantencomputer selbst sind die Erkenntnisse, die sich aus der Forschung am Quantencomputer ergeben.